徐曄

（大眾一汽發(fā)動(dòng)機(jī)（大連）有限公司，遼寧 大連 116600）

平衡軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的組成零件。某款四缸汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為了更好地減少由二階慣性力產(chǎn)生的振動(dòng)，通常搭載2根正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸，雙倍發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)氣、排氣平衡軸來消除這部分振動(dòng)，從而提高汽車的舒適性。

由于該款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)能需求不斷提升，需要在現(xiàn)有平衡軸進(jìn)氣和排氣2條生產(chǎn)線旁規(guī)劃1條全新的平衡軸生產(chǎn)線來彌補(bǔ)產(chǎn)能缺口。新平衡軸線在設(shè)計(jì)上要具有很高的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，必須能夠具備加工進(jìn)氣和排氣2種型號(hào)平衡軸的能力，產(chǎn)能要求為1600根進(jìn)氣或排氣軸/天，即800套/天。由于在發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配過程中，需要進(jìn)、排氣平衡軸成對(duì)組裝，所以該平衡軸新生產(chǎn)線在批量生產(chǎn)后必須要每3天進(jìn)行1次進(jìn)、排氣產(chǎn)品相互換型生產(chǎn)，才能匹配生產(chǎn)計(jì)劃，而每次換型時(shí)間損失為4h，造成了嚴(yán)重地產(chǎn)能浪費(fèi)。而在傳統(tǒng)的加工方式中，產(chǎn)品的切換需要換型也是不可避免的。如何解決換型難題，成為了新建生產(chǎn)線的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 無換型混合生產(chǎn)可行性分析

1.1 平衡軸加工工藝分析

現(xiàn)有的進(jìn)、排氣平衡軸2條生產(chǎn)線加工工藝為：毛坯-＞車削-＞預(yù)清洗-＞淬火-＞預(yù)清洗-＞校直-＞磨削-＞拋光-＞終清洗-＞終測(cè)量-＞壓裝（進(jìn)氣齒輪/排氣鏈輪）-＞成品。

如果將一條生產(chǎn)線設(shè)計(jì)成無需產(chǎn)品換型就能夠同時(shí)混合生產(chǎn)進(jìn)、排氣平衡軸2種產(chǎn)品，那么既能滿足了產(chǎn)能的設(shè)計(jì)要求800套/天，同時(shí)還避免了由于產(chǎn)品的頻繁換型造成的嚴(yán)重產(chǎn)能損失。這也就意味著機(jī)床必須具備能夠準(zhǔn)確識(shí)別出上料工件型號(hào)并自動(dòng)調(diào)取正確加工程序，完成加工的能力。由于該款發(fā)動(dòng)機(jī)的各自制件生產(chǎn)線在國內(nèi)外還沒有過可以借鑒的無換型混合生產(chǎn)先例，因此在生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮各個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

1.2 產(chǎn)品對(duì)比與技術(shù)難點(diǎn)分析

1.2.1 產(chǎn)品對(duì)比

如圖1所示，從外觀上看進(jìn)、排氣平衡軸結(jié)構(gòu)對(duì)比基本相似，均由3個(gè)主軸頸組成，中間的第二主軸頸為了產(chǎn)生離心力都是半圓設(shè)計(jì)，而在具體區(qū)別上主要有以下幾點(diǎn)。

圖1 進(jìn)氣（長）、排氣（短）平衡軸

（1）進(jìn)氣平衡軸的旋轉(zhuǎn)方向與發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，所以需要在進(jìn)氣平衡軸上壓裝用于反向驅(qū)動(dòng)的斜齒輪，而排氣平衡軸壓裝的是鏈輪。

（2）進(jìn)氣平衡軸在結(jié)構(gòu)上尾端多一段軸頭用來驅(qū)動(dòng)水泵，所以在軸頭內(nèi)有加工螺紋，用于安裝水泵驅(qū)動(dòng)輪。所以進(jìn)氣平衡軸要比排氣平衡軸長13mm。

1.2.2 技術(shù)難點(diǎn)

從進(jìn)、排氣2種平衡軸產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上分析，機(jī)床在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上應(yīng)該可以滿足刀具、夾具上對(duì)于2種產(chǎn)品的兼容性。理論上具備無需換型同時(shí)生產(chǎn)進(jìn)、排氣平衡軸的能力，但需要解決下面幾個(gè)難點(diǎn)：

（1）在整個(gè)工藝加工過程中，物料管理，機(jī)床工件類型識(shí)別的設(shè)計(jì)，傳送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要準(zhǔn)確地區(qū)分開進(jìn)、排氣2種不同類型的產(chǎn)品。

（2）由于2種型號(hào)的軸頸長度不同，磨床在加工2種不同類型工件時(shí)需要修整砂輪的輪廓來匹配工件軸頸的寬度，而每件修整砂輪會(huì)嚴(yán)重降低機(jī)床的OEE（設(shè)備綜合利用率），從而影響產(chǎn)能。

（3）對(duì)于產(chǎn)品的混料要有預(yù)防措施，需要避免由于混料、工件不識(shí)別等原因造成的機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)故障。

2 平衡軸新線的布局設(shè)計(jì)

2.1 新線工藝優(yōu)化

結(jié)合新線產(chǎn)能需求、投資預(yù)算、面積、節(jié)拍及現(xiàn)有平衡軸生產(chǎn)線的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)新線加工工藝和布局進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。

2.1.1 節(jié)拍優(yōu)化

車床和磨床是整條平衡軸生產(chǎn)線的加工瓶頸，需要安裝多臺(tái)復(fù)制機(jī)床來平衡加工節(jié)拍才能完成設(shè)計(jì)產(chǎn)能。

車床主要加工內(nèi)容為切兩端、粗車各個(gè)主軸頸和鉆兩端的定位中心孔。將原來車床的銑刀加工打標(biāo)標(biāo)記，優(yōu)化為車刀加工完軸頸后直接車環(huán)痕，這樣減少了換刀環(huán)節(jié)，節(jié)拍由原來的84s降到了74s。

磨床加工內(nèi)容為精磨各個(gè)主軸徑。在工藝上通過車床留給磨床加工余量上的重新分配，使各個(gè)主軸頸磨削量最多減少了0.05mm，從而將整個(gè)磨床節(jié)拍從87s降到了74s。

通過節(jié)拍優(yōu)化，新線只需采購2臺(tái)車床和2臺(tái)磨床就能滿足設(shè)計(jì)產(chǎn)能要求。

2.1.2 清洗過程優(yōu)化

在現(xiàn)有平衡軸生產(chǎn)線中淬火工序前、后2道序各有1臺(tái)預(yù)清洗機(jī)，是為了解決車床加工后工件表面會(huì)有乳化液和鐵屑?xì)埩舻膯栴}，避免工件會(huì)在下一道序淬火時(shí)感應(yīng)器與工件上的鐵屑接觸，形成短路。而在新線的車床內(nèi)部增加了定點(diǎn)噴淋裝置，能夠確保加工過程中不會(huì)再有鐵屑?xì)埩粼诙ㄎ徊考驃A緊部件上，另外在車床里還額外增加了吹風(fēng)工位，風(fēng)刀能夠去除工件表面殘留物質(zhì)。為了確保清洗效果，在淬火機(jī)床里還增加了淬火液噴淋沖洗工位。通過這幾步優(yōu)化措施可有效地將工件表面的鐵屑和乳化液清洗干凈，替代了之前的預(yù)清洗機(jī)的功能，所以在新線的工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)中將,2臺(tái)預(yù)清洗機(jī)取消掉，節(jié)省了2臺(tái)清洗機(jī)的投資和占地面積，同時(shí)縮短了整條生產(chǎn)線的通過性。

通過上述的重組、取消、合并等優(yōu)化措施，實(shí)現(xiàn)了工序的平衡，提高了生產(chǎn)線布局的精益程度。優(yōu)化后的平衡軸新線加工工藝和機(jī)床數(shù)量如表1所示。

表1 生產(chǎn)線加工內(nèi)容和機(jī)床數(shù)量

表中的AF是德語Arbeitsfolge的縮寫，是工序的意思；后面的數(shù)字代表工序號(hào)。平衡軸的加工從AF200到AF50經(jīng)過了8道工序加工。

2.2 核心機(jī)床的選擇

由于平衡軸在發(fā)動(dòng)機(jī)里高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此其加工精度要求很高，同時(shí)平衡軸還應(yīng)具備比較高的強(qiáng)度和硬度，所以整條線在設(shè)計(jì)上采用了專機(jī)來提高加工穩(wěn)定性。

在熱處理工藝的選擇上采用了感應(yīng)淬火，目的是在增加平衡軸表面硬度、耐磨性的同時(shí)還要兼顧工件的韌性，而感應(yīng)淬火是利用中、高頻率的感應(yīng)電流，形成集膚效應(yīng)，使工件表面迅速加熱達(dá)到很高的溫度，同時(shí)工件的芯部由于溫度不高會(huì)保持很好的韌性。由于在加工工藝上對(duì)淬火層深度的要求較淺，所以采用了德國艾爾戴克公司生產(chǎn)的8工位轉(zhuǎn)臺(tái)式高頻感應(yīng)淬火機(jī)床。

在磨床的選擇上針對(duì)平衡軸在工藝上對(duì)軸頸粗糙度和圓度等幾何尺寸的高質(zhì)量要求，采用了德國勇克公司生產(chǎn)的JUMAT系列的數(shù)控高速CBN砂輪外圓磨床，JUMAT磨床是一種可以磨削大部分軸類零件的圓周磨床，一次定位裝夾完成整個(gè)磨削過程。對(duì)于平衡軸細(xì)長、結(jié)構(gòu)剛性差的特點(diǎn)通過高速磨削來有效降低砂輪的磨削力，提高生產(chǎn)效率。

2.3 無換型混合生產(chǎn)設(shè)計(jì)

2.3.1 進(jìn)、排氣平衡軸產(chǎn)能均衡設(shè)計(jì)

在生產(chǎn)線的布局中將1臺(tái)車床和1臺(tái)磨床在程序上設(shè)定為只加工進(jìn)氣平衡軸，而另外1臺(tái)車床和磨床只加工排氣平衡軸，確保2種產(chǎn)品型號(hào)的生產(chǎn)能力和加工節(jié)拍是相同的，按照此布局設(shè)計(jì)，磨床將不再需要換型和修整砂輪的輪廓，解決了磨床對(duì)于進(jìn)、排氣工件混合加工切換時(shí)由于軸頸的寬度不同及進(jìn)、排氣產(chǎn)能不均衡的難題。作為應(yīng)急策略，如果進(jìn)、排氣某種型號(hào)實(shí)際的需求差距比較大時(shí)，整條生產(chǎn)線也可以切換成只生產(chǎn)其中1種單一型號(hào)的模式。

2.3.2 工件型號(hào)識(shí)別設(shè)計(jì)

整條生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)是以軸2端的雙頂尖中心孔為基準(zhǔn)對(duì)工件進(jìn)行定位和裝夾，由于進(jìn)氣平衡軸比排氣平衡軸要長，所以可以根據(jù)各個(gè)機(jī)床頂尖在夾緊工件時(shí)的不同伸長行程來判斷進(jìn)、排氣平衡軸的類型，以此為平衡軸布局的設(shè)計(jì)核心。具體機(jī)床類型識(shí)別控制如下。

（1）車床和磨床設(shè)計(jì)。

龍門機(jī)械手夾緊工件在進(jìn)入車床或磨床加工室前首先通過類型傳感器進(jìn)行工件型號(hào)判斷，如果工件型號(hào)與機(jī)床的加工型號(hào)不符，機(jī)床將發(fā)出報(bào)警，停止加工，機(jī)械手將工件放置到不合格抽屜里。

（2）其他機(jī)床的設(shè)計(jì)。

清洗機(jī)在設(shè)計(jì)上結(jié)合了進(jìn)、排氣產(chǎn)品的共同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用了通用于2種型號(hào)的清洗腔室和噴嘴布局設(shè)計(jì)，在清洗工件時(shí)進(jìn)、排氣平衡軸料筐可4層混合疊垛在一起進(jìn)行整體清洗。

淬火機(jī)、校直機(jī)、拋光機(jī)、測(cè)量機(jī)和壓裝機(jī)在設(shè)計(jì)上均采用了根據(jù)頂尖夾緊工件時(shí)的伸長距離來判斷工件型號(hào)，這樣能直接自動(dòng)調(diào)用各個(gè)機(jī)床相對(duì)應(yīng)的加工程序來實(shí)現(xiàn)工件無換型的混料生產(chǎn)模式。

2.4 平衡軸生產(chǎn)線的布局

生產(chǎn)線布局的合理性對(duì)生產(chǎn)線節(jié)拍、設(shè)備利用率、物流時(shí)間、空間利用率、勞動(dòng)強(qiáng)度、可靠性等都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。如圖2所示，平衡軸生產(chǎn)線的布局是按照工藝加工順序來設(shè)計(jì)的，采用了緊湊的布局形式，減少了占地面積。

圖2 平衡軸生產(chǎn)線布局

粗加工（從毛坯到AF240校直）一共包括4臺(tái)機(jī)床（2臺(tái)一樣的車床，1臺(tái)淬火機(jī)床，1臺(tái)校直機(jī)床），采用了手動(dòng)上、下料來降低投資成本，進(jìn)、排氣毛坯在車床加工后操作工將工件放置到料筐里，每個(gè)料框能擺放9根進(jìn)氣或排氣平衡軸，工序之間工件的傳輸通過料筐來實(shí)現(xiàn)。為了更好的增加器具的流動(dòng)性和通用性，工件料筐設(shè)計(jì)為進(jìn)、排氣平衡軸均可通用結(jié)構(gòu)，方便流轉(zhuǎn)管理。

精加工從磨削到壓裝前采用自動(dòng)上、下料的機(jī)械手桁架傳輸系統(tǒng)。為了更好地發(fā)揮桁架機(jī)械手自動(dòng)化的傳輸效果，從磨削到拋光的3臺(tái)機(jī)床采用了直線型布局方式，降低了操作人員的勞動(dòng)負(fù)荷。由于磨床和拋光機(jī)床具備很好的加工穩(wěn)定性，采用了一個(gè)流的生產(chǎn)方式，避免了由于在制品的堆積而造成的浪費(fèi)。

平衡軸從清洗機(jī)下線后，經(jīng)目視、測(cè)量、壓裝、終檢、包裝幾道工序，采用了精益化的U型布局，確保了最小化走動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)了1人多崗，提高了生產(chǎn)的平衡性。

2.5 防混設(shè)計(jì)

如上所述，即使操作工誤將進(jìn)、排氣工件混合放到同一料筐中，各機(jī)床也能“將錯(cuò)就錯(cuò)”的調(diào)取正確的加工程序完成加工。除此之外在以下這些方面也做了特殊的設(shè)計(jì)。

2.5.1 傳輸料道設(shè)計(jì)

在精加工時(shí)，進(jìn)、排氣工件的料筐交替放到自動(dòng)摩擦滾動(dòng)料道上，料道兩側(cè)安裝多個(gè)光柵傳感器，在傳輸料筐通過傳感器時(shí)不僅能夠有效地識(shí)別工件型號(hào)，還能對(duì)料框中的工件放反、放偏以及料筐中無工件等特殊情況進(jìn)行監(jiān)控。區(qū)分型號(hào)后的工件料筐將通過旋轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)進(jìn)入相對(duì)應(yīng)的進(jìn)、排氣待加工通道。

2.5.2 通訊設(shè)計(jì)

AF40的終測(cè)量機(jī)同AF50壓裝機(jī)床是數(shù)據(jù)互聯(lián)的，測(cè)量機(jī)在完成工件測(cè)量后，將工件的測(cè)量信息同步傳輸給壓裝機(jī)床，如果要被壓裝的工件信息與測(cè)量機(jī)傳輸?shù)墓ぜ畔⒉环麜r(shí)，壓裝機(jī)床將會(huì)發(fā)出報(bào)警，停止加工，能夠有效防止由于工件混料造成的錯(cuò)誤壓裝。

2.5.3 壓裝小件料架的設(shè)計(jì)

在壓裝機(jī)床旁的壓裝小件（齒輪/鏈輪/軸套/墊片）料架上帶有亮燈揀件系統(tǒng)。平衡軸工件在壓裝機(jī)的上料工位被識(shí)別出進(jìn)、排氣具體型號(hào)后第一時(shí)間將信息傳輸給料架亮燈系統(tǒng)，操作工可根據(jù)料架亮燈指引進(jìn)行揀件上料，同時(shí)壓裝機(jī)床也會(huì)通過傳感器對(duì)上料小件的正確性進(jìn)行再次確認(rèn)，避免了由于進(jìn)、排氣平衡軸型號(hào)的頻繁切換所造成的操作工誤操作，從而引起機(jī)床故障。

2.5.4 成品料箱的設(shè)計(jì)

為了防止終檢操作工誤將進(jìn)、排氣平衡軸成品擺錯(cuò)相對(duì)應(yīng)的料箱，料箱在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上匹配了進(jìn)、排氣平衡軸成品的輪廓。同時(shí)在料箱的底部帶有明顯的黃色提醒條紋。

3 電子化現(xiàn)場(chǎng)管理體系

為了打造精益生產(chǎn)線，提高生產(chǎn)效率，在平衡軸生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有電子目視生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)，該管理系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)線的生產(chǎn)狀態(tài)和生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行有效的管理。對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，比如設(shè)備故障和產(chǎn)能的實(shí)時(shí)完成情況等信息。

電子看板能夠?qū)⑸a(chǎn)線的相關(guān)信息，以圖表形式直觀形象地展現(xiàn)出來，比如人員組織、工作任務(wù)、產(chǎn)品質(zhì)量、維修計(jì)劃、設(shè)備利用率等信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線目視化信息管理系統(tǒng)。車間管理人員可通過電子看板或智能手機(jī)了解生產(chǎn)線實(shí)時(shí)信息并迅速地做出反應(yīng)。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程透明化，生產(chǎn)區(qū)域無紙化，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)目視化，打造數(shù)字化工廠。

4 結(jié)語

平衡軸生產(chǎn)線是1條經(jīng)濟(jì)、靈活、高效、精益的生產(chǎn)線，機(jī)床無需換型就能夠?qū)崿F(xiàn)平衡軸進(jìn)、排氣2種類型的工件同時(shí)在線混合生產(chǎn)。從生產(chǎn)線的工藝設(shè)計(jì)到布局充分考慮了混合生產(chǎn)時(shí)會(huì)面臨的風(fēng)險(xiǎn)，通過在工件類型識(shí)別、防錯(cuò)、防混等方面的特殊設(shè)計(jì)成功的規(guī)避了風(fēng)險(xiǎn)。在平衡軸生產(chǎn)線投產(chǎn)后設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低，產(chǎn)能從800套/天逐步提高到960套/天,產(chǎn)品的質(zhì)量合格率為99.6%，無混料故障發(fā)生，成功地解決了由于產(chǎn)品換型造成的產(chǎn)能損失難題。對(duì)其他廠家生產(chǎn)線的混合生產(chǎn)設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。